XXIV Konferencja Naukowo-Techniczna XXIV Szczecin-Międzyzdroje, 26-29 maja 2009 awarie budowlane Prof. nzw. dr hab. inŝ. ZBIGNIEW KLEDYŃSKI, zbigniew.kledynski@is.pw.edu.pl Mgr inŝ. RAFAŁ OSTROMĘCKI, r.ostromecki@il.pw.edu.pl Politechnika Warszawska UWARUNKOWANIA PROJEKTOWE I TECHNOLOGICZNE STANU ZARYSOWANIA śelbetowego ZBIORNIKA WYDZIELONEJ KOMORY FERMENTACYJNEJ DESIGN AND TECHNOLOGICAL CONDITIONS OF REINFORCED CONCRETE SEPARATED FERMENTATION TANK CRACKING Streszczenie W referacie przedstawiono stan zarysowania powłoki walcowej Ŝelbetowego zbiornika zamkniętej, wydzielonej komory fermentacyjnej (WKFz) w oczyszczalni ścieków, jaki zaistniał na etapie realizacji obiektu. Opisano zakres i najwaŝniejsze wyniki analiz wykonanych w celu rozpoznania przyczyn zarysowania zbiornika. Wskazano na projektowe i technologiczne (wykonawcze) uwarunkowania stanu obiektu. Abstract The paper presents state of cracking of a reinforced concrete wall of the cylindrical separated fermentation tank in a wastewater treatment plant, which took place at the stage of its construction. Scope of analyses performed and most important conclusions, leading to recognition of the cracking origin were presented. Design and technological conditions which had an influence on structure state were indicated. 1. Wprowadzenie Jednym z procesów stosowanych w oczyszczaniu ścieków zawierających znaczne ilości materiału organicznego jest fermentacja metanowa, złoŝony proces biologiczno-chemicznego przetwarzania przez mikroorganizmy białek, tłuszczów i węglowodanów do produktów końcowych, głównie metanu i dwutlenku węgla, tj. podstawowych składników tzw. biogazu. Najlepsze efekty fermentacji uzyskuje się w tzw. wydzielonych komorach fermentacyjnych, zwłaszcza zamkniętych (WKFz). Są one wyposaŝone w urządzenia do mieszania osadów oraz przewody odprowadzające gaz, wodę nadosadową i przefermentowany osad. Stwarza to moŝliwość precyzyjnego sterowania procesami fermentacji. Z konstrukcyjnego punktu widzenia wydzielona, zamknięta komora fermentacyjna to cylindryczny lub rzadziej prostopadłościenny zbiornik, najczęściej Ŝelbetowy lub stalowy, zakończony u dołu lejem ułatwiającym grawitacyjne spuszczanie przefermentowanego osadu, a na górze stoŝkowym stropem, pod którym gromadzi się biogaz. Na rys. 1 pokazano przekrój pionowy i poziomy przez Ŝelbetową komorę fermentacyjną, będącą przedmiotem niniejszego referatu. Stosunkowo nietypową cechą pokazanej konstrukcji są skokowe zmiany grubości ściany zbiornika wyznaczające wysokości trzech faz betonowania płaszcza; w układzie poziomym cylindryczne fazy podzielono pionowo na cztery sekcje oznaczane dalej kierunkami stron świata.
Konstrukcje Ŝelbetowe 632 30 230 30 80 30 30 40 616 50 100 40 410 60 R1110 R1090 2100 180 193 50 60 90 130 180 500 410 90 R1050 R1140 Rys. 1. Charakterystyczne przekroje zbiornika 2. Stan obiektu i jego historia Stan zbiornika w dniu oględzin (jesień 2007 r.) przedstawiał się następująco. Na ścianach zewnętrznych widoczne były nieliczne ślady przeciekania oraz wycieki iniektu w miejscach wykonywania prac uszczelniających (rys. 2) oraz przecieki spod pierścienia górnego (od strony północnej) i zacieki z nieszczelności w dwóch niŝszych, poziomych szwach betonowania. Ściany były gładkie, z pewną liczbą otwartych pęcherzy powietrznych; nie stwierdzono niekontrolowanych szwów roboczych i miejsc Ŝwirowych (tzw. raki). Stan zarysowania płaszcza pokazano schematycznie na rys. 3. Pierwsze rysy (w fazie I) o rozwartości do 0,15 mm zauwaŝono po 3 4 tygodniach od zabetonowania; rysy w fazach II i III ujawniły się dopiero po napełnieniu zbiornika wodą. W trakcie napełniania zbiornika wystąpiły takŝe przecieki przez poziome szwy betonowania i wówczas wykonano iniekcję tych szwów przez umieszczone w nich wcześniej węŝyki iniekcyjne (w trzech poziomych szwach płaszcza, tj. między ławą i fazą I oraz między fazami I i II oraz II i III, węŝyk iniekcyjny zdublowano wkładką z taśmy bentonitowej). Iniekcja dała efekty umiarkowanie zadawalające, ale przerwała drenowanie nieszczelności szwu przez węŝyk i zlikwidowała rozpływanie się wody wzdłuŝ szwów. Pierwszemu napełnieniu zbiornika (próba wodna) towarzyszyły pomiary geodezyjne osiadań obiektu. Ich wyniki wskazują na równomierne i stosunkowo niewielkie osiadania zbiornika. Świadczy to dobrze o jakości posadowienia i wyklucza ewentualne róŝnice osiadań jako potencjalną przyczynę zarysowań. Z uzyskanych danych wynikało, Ŝe względem Specyfikacji Technicznych Wykonania i Odbioru Robót Budowlanych obiektu, za zgodą Inwestora i Projektanta, zmieniono stal zbrojeniową z 18G2 (A-II) na BSt 500 (A-IIIN) bez zmiany ilości i rozmieszczenia oraz cement z portlandzkiego CEM I 52,5 NA na hutniczy CEM III/A 32,5 N LH/HSR/NA. Zastąpiono takŝe część grysów bazaltowych Ŝwirem i uŝyto superplastyfikatora polimerowego. W Specyfikacji nie limitowano skurczu betonu ani temperatury mieszanki betonowej lub przyrostu tej wielkości. 770
Kledyński Z. i inni: Uwarunkowania projektowe i technologiczne stanu zarysowania Rys. 2. Widok zarysowań płaszcza zbiornika w trakcie prac iniekcyjnych Z Pd W Pn III II I Rys. 3. Stan zarysowania płaszcza zbiornika ściana w rozwinięciu, z podziałem na fazy i sekcje betonowania Realizacyjny podział płaszcza zbiornika na fazy i sekcje betonowania sprowadził się do wykonania: na pierścieniowej ławie fazy I o wysokości 5 m, podzielonej na cztery sekcje o długości około 17,4 m kaŝda; najpierw wykonano sekcje nieparzyste, a później parzyste, wyŝej leŝącej fazy II o wysokości 4,1 m, podzielonej w planie jak faza I (bez przesunięcia), fazy III o wysokości 4,1 m i podzielonej jak wyŝej, pierścienia górnego ze stoŝkiem górnym zbiornika. Dni i miesiące betonowania poszczególnych sekcji podano na rys. 4, na którym pokazano takŝe odstępy czasowe między betonowaniem sąsiadujących ze sobą bloków. Pielęgnacja wbudowanego betonu polegała na okryciu uformowanego elementu włókniną i jej intensywnym polewaniu: faza I ze zraszaczy, fazy wyŝsze z węŝy. 771
Konstrukcje Ŝelbetowe sekcja Z sekcja Pd sekcja W sekcja Pn faza III (6) 5.06 (4) 11 IX faza II (8) 25.05 (7) 14 VIII faza I (15) 11.05 (11) 24 IV 1.06 14 X 18.05 18 VI 30.04 13 II (5) 6.06 (7) 13 XII (6) 24.05 (7) 15 VII (9) 9.05 (13) 22 III 30.05 13 IX 17.05 21 V 26.04 9 I ława pierścieniowa: 17.04 Rys. 4. Schematyczne rozwinięcie płaszcza zbiornika z podziałem na sekcje i poziome fazy betonowania wraz z harmonogramem. Objaśnienia: 1) w centrum obrysu rozwinięcia bloku podano datę betonowania, a w nawiasach liczbę dni od betonowania sąsiednich bloków (odpowiednio od ich strony); 2) w dolnych wierszach podano liczbę dni od betonowania bloku połoŝonego niŝej; 3) w prawych dolnych rogach obrysu bloków cyframi rzymskimi ponumerowano bloki w kolejności ich realizacji; 4) na górze pokazano symbole stron świata identyfikujące pionowe sekcje obwodowe; 5) po lewej pokazano numerację poziomych faz betonowania Wyniki badań kontrolnych betonu wskazują na osiągnięcie zakładanej klasy (B45) i stopnia wodoszczelności (W8). Na próbkach pobieranych przy węźle i badanych po 28 dniach dojrzewania uzyskano wytrzymałość gwarantowaną (wg [3]) w przedziale od 47,1 MPa do 53,4 MPa, a na próbkach branych w miejscu wbudowania i badanych między 55 i 85 dniem dojrzewania około 47,5 MPa. 3. Analiza stanu i jego przyczyn 3.1. Technologia realizacji a odkształcenia i napręŝenia termiczne i skurczowe W recepcie zwraca uwagę korzystna zmiana rodzaju cementu na hutniczy i niekorzystna, wysoka jego zawartość 395 kg/m 3, jakkolwiek zgodna ze Specyfikacją. Zmiana rodzaju cementu spowodowała, przy utrzymaniu normalnego tempa przyrostu wytrzymałości, obniŝenie ilości wydzielającego się ciepła (waŝne ze względu na masywność płaszcza na wysokości fazy I i pół-masywność na wysokości fazy II), ale nie zmieniła w istotnym stopniu wielkości skurczu. PoniewaŜ odkształcenia skurczowe są silnie zaleŝne od ilości cementu (skurcz autogeniczny), dlatego nawet bardzo staranne działania pielęgnacyjne obniŝające dynamikę skurczu wilgotnościowego (zaleŝnego m.in. od tzw. zastępczego wymiaru elementu), nie mogły w analizowanym przypadku okazać się dostatecznie skuteczne. Przekonują o tym obliczenia odkształceń skurczowych, wykonane według [4], których wyniki pokazano na rys. 5. Skurcz autogeniczny stanowi od 70 do 85% skurczu całkowitego. Masywność fazy I, w połączeniu z ekspozycją niektórych sekcji płaszcza na nasłonecznienie, spowodowała rozgrzew betonowanego elementu. Przy jego grubości 0,9 m rozpraszanie ciepła hydratacji nie było swobodne i powstał w ścianie gradient temperatury, a wraz z nim napręŝenia własne (w górnej części płaszcza) i napręŝenia wymuszone (w dolnej części płaszcza). W fazie rozgrzewu w środku ściany występowały napręŝenia ściskające, a przy powierzchni rozciągające. Te ostatnie sumowały się z napręŝeniami rozciągającymi od skurczu. W fazie stygnięcia występuje tzw. inwersja napręŝeń termicznych, co oznacza, Ŝe we wnętrzu ściany pojawia się rozciąganie, a na powierzchni ściskanie, które niestety nie jest 772
Kledyński Z. i inni: Uwarunkowania projektowe i technologiczne stanu zarysowania w stanie zrównowaŝyć napręŝeń rozciągających od narastającego skurczu. Tym prawdopodobnie spowodowane było zarysowanie sekcji fazy I. W dolnej części fazy dominujący wpływ na stan napręŝenia miały napręŝenia wymuszone, wynikające z więzów podparcia. Dlatego większość rys inicjowała się w kontakcie z ławą i przędła ku górze. Ze względu na znaczącą grubość fazy I i mitygujące działanie efektów termicznych na napręŝenia skurczowe większość rys nie była przelotowa i przecieki, mimo większych ciśnień wody, były mniejsze niŝ w fazach wyŝej połoŝonych. skurcz autogeniczny i wilgotnościowy, B45 0,00E+00 0 50 100 150-1,00E-05-2,00E-05-3,00E-05-4,00E-05-5,00E-05-6,00E-05 faza I faza II faza III sk. autog. -7,00E-05-8,00E-05-9,00E-05 czas [dni] Rys. 5. Rozwój odkształceń skurczowych w czasie w fazach betonowania zbiornika. Klasa betonu B45. Obliczenia wg [4] W fazach II i III udział zjawisk termicznych był proporcjonalnie mniejszy, gdyŝ fazy te mają znacząco mniejsze grubości. Towarzyszyło temu zwiększone oddziaływanie odkształceń skurczowych, pozostających w związku z zastępczym wymiarem przekrojów poprzecznych faz betonowania (rys. 5). W tych fragmentach płaszcza rysy były przede wszystkim skurczowe i ze względu na mniejszą grubość powłoki w większości przelotowe (przecieki były intensywniejsze, mimo niŝszych ciśnień wody niŝ na wysokości fazy I). Skomplikowany układ rys w płaszczu zbiornika (rys. 3) jest rezultatem opisanych wyŝej procesów i ich nakładania się, odpowiednio do czasoprzestrzennego schematu wznoszenia konstrukcji (rys. 4). Odstęp czasowy wykonania sąsiednich bloków wpływa znacząco na róŝnice odkształceń między nimi rys. 6, a co za tym idzie na napręŝenia generowane w tych blokach i potencjalny stan ich zarysowania. Jeszcze bardziej skomplikowane są oddziaływania bloków masywnych, gdyŝ są one początkowo w okresie rozgrzewu i rozszerzania się, a później w okresie stygnięcia i kurczenia się. WaŜne jest, w której fazie tego procesu powstaje sąsiedni blok: gdy w okresie rozszerzania się bloku wykonanego wcześniej, dystorsje są mniejsze, gdy w okresie stygnięcia będą one większe. Oddziaływania tego typu występowały prawdopodobnie między blokami w fazie I oraz być moŝe między niektórymi blokami fazy I i II. Oddziaływania te mogą prowadzić zarówno do powstawania rys w blokach wykonywanych w drugiej kolejności, jak i w blokach juŝ ułoŝonych, co wpływa na stan zarysowania (rys. 3). 773
Konstrukcje Ŝelbetowe h < h 02 01 ε h 01 2h 01 t 2 t' h 01 t 1 0 t 1 t 2 Rys. 6. Schemat zmian w czasie odkształceń skurczowych bloków betonowych: wykonanego w czasie t = 0 i kolejnych, wykonanych w chwili t 1 lub t 2. Wysokość obszarów zakreskowanych to róŝnice odkształceń skurczowych między blokami; dąŝą one do wartości t 1, t 2, t 2 zaleŝnych od zwłoki w wykonaniu kolejnego bloku i jego wymiaru zastępczego h 0, wpływającego na wielkość i intensywność zmian skurczu t 3.2. Praca statyczno-wytrzymałościowa zbiornika W celu potwierdzenia przypuszczeń o przyczynach powstania uszkodzeń w ścianach zbiornika przeprowadzono stosowne obliczenia statyczne [2, 4]. Wpływ odkształceń skurczowych, nierównomiernego nagrzewania konstrukcji w okresie letnim oraz parcia wody na rozkład sił wewnętrznych w poszczególnych przekrojach obiektu oszacowano przy zastosowaniu programu ABC-Obiekt 3D. Oddziaływania powyŝsze analizowano w kolejności ich zaistnienia, z uwzględnieniem schematów statycznych odpowiadających rozwaŝanemu etapowi realizacji konstrukcji. Rysunek 7 przedstawia wybrane warianty obciąŝenia modelu statycznego. Wartości sił wewnętrznych w poszczególnych przekrojach wyznaczano stosując superpozycję wielkości otrzymanych w wyniku obliczeń. Rys. 7. Kolejne schematy obciąŝenia modelu: skurcz w trakcie wznoszenia sekcji 1 i sekcji 3, nierównomierne nagrzewanie zbiornika w okresie letnim Wyniki analizy wskazują, Ŝe równoleŝnikowe napręŝenia rozciągające, wywołane przez skurcz są bliskie wytrzymałości młodego betonu na rozciąganie juŝ na etapie wykonania fazy I konstrukcji zbiornika. Odkształcenia równoleŝnikowe trzeciej sekcji tej fazy po dwóch dniach od zabetonowania mogą osiągnąć wartość powodującą, przy załoŝeniu liniowej spręŝystości, napręŝenia rzędu 0,70 0,90 MPa, podczas gdy wytrzymałość betonu na rozciąganie oszacowano na poziomie ok. 0,70 MPa. Potwierdzać to moŝe stwierdzone przez wykonawcę zarysowanie się dolnych fragmentów ściany w niedługim czasie od jej wykonania. Obliczenie wpływu skurczu do dnia poprzedzającego wykonanie próby wodnej pozwala oszacować napręŝenia rozciągające w poszczególnych sekcjach fazy I na poziomie 3,3 3,5 MPa, są to 774
Kledyński Z. i inni: Uwarunkowania projektowe i technologiczne stanu zarysowania wartości zbliŝone do spodziewanej, docelowej wytrzymałości betonu na rozciąganie. W rezultacie obliczeń odwzorowujących nierównomierne nagrzewanie przez słońce oszacowano, Ŝe odkształcenie wewnątrz zbiornika (rys. 8) moŝe sięgać 0,20, podczas gdy odkształcenie graniczne przy rozciąganiu wynosi 0,15. Wynik ten potwierdza moŝliwość pojawienia się rys po stronie wewnętrznej zbiornika i wyjaśnia obecność zarysowań wskrośnych (oddziaływania skurczowe powodowały głównie zarysowania po stronie zewnętrznej ściany). Rys. 8. NapręŜenia równoleŝnikowe w zbiorniku: od skurczu w fazie budowy sekcji 1; działanie skurczu i parcia wody; nierównomierne nagrzewanie w okresie letnim Obliczeniowe sprawdzenie szerokości rozwarcia rys w czasie próby wodnej wykazało, Ŝe moŝe być ona większa od dopuszczalnej wartości 0,10 mm. Przykładowo, szerokość rysy w sekcji Pn fazy I oszacowano na poziomie 0,29 mm, a w sekcji Pn fazy III równą 0,24 mm. 4. Przyczyny uszkodzeń zbiornika Bezpośrednią przyczyną zarysowań płaszcza zbiornika były oddziaływania pośrednie: odkształcenia skurczowe i termiczne betonu. Na wielkość tych odkształceń wpłynęły: masywność płaszcza na wysokości fazy I i jego pół-masywność w fazie II oraz znaczący potencjał skurczu betonu wynikający przede wszystkim z duŝego dozowania cementu (skurcz autogeniczny). DuŜy potencjał skurczowy betonu, wynikający bezpośrednio z dozowania cementu, jest związany z wysoką klasą betonu (B45). Odkształcenia te wygenerowały znaczące naprę- Ŝenia własne i wymuszone w realizowanych elementach, przy czym wzrostowi tych ostatnich sprzyjały duŝe długości sekcji w obrębie faz (ponad 17 m); pewne znaczenie mógł mieć równieŝ harmonogram betonowania, wynikający z przesłanek organizacyjnych. Rysy skurczowe były dodatkowo inicjowane przez lokalnie znaczące róŝnice odkształceń i napręŝeń skurczowych, wynikające m.in. ze skokowo zmiennej grubości płaszcza. W projekcie uwzględniono obciąŝenie skurczem w sposób typowy, jako obciąŝenie ekwiwalentną róŝnicą temperatury, co w analizowanych przypadku okazało się niewystarczające. Nie uwzględniono nierównomiernego nagrzewania się płaszcza i kopuły zbiornika w wyniku nasłonecznienia, co jest szczególnie waŝne w okresie próby wodnej, gdy nie ma jeszcze izolacji termicznej ścian. 5. Zalecenia dotyczące zbiornika wykonanego Rysy w płaszczu zbiornika zostały uszczelnione przez iniekcję, przy czym wykonano ją przy naporze wody, a więc przy maksymalnym rozwarciu rys. Część iniektu przeszła na wskroś ściany i doszczelniła rysy w powłoce antykorozyjnej. Zbiornik został opróŝniony i po zamontowaniu wyposaŝenia technologicznego ponownie napełniony. NaleŜy mieć nadzieję, Ŝe ten cykl pracy konstrukcji: odciąŝenie obciąŝenie nie 775
Konstrukcje Ŝelbetowe wywołał juŝ dodatkowych zarysowań. Przewidywane warunki pracy zbiornika (praktycznie stałe napełnienie i stała temperatura ścieków) są korzystne dla zachowania szczelności zainiektowanego płaszcza. 6. Zalecenia dotyczące projektowania analogicznych zbiorników Praktyka projektowania i wykonawstwa zbiorników zamkniętych komór fermentacyjnych, jako obiektów hydrotechnicznych, wskazuje, Ŝe naleŝy stosować beton hydrotechniczny średniej klasy, np. BH25 lub BH30 według [1], a klasa stali powinna być odpowiednia do przyjętej klasy betonu (np. A-III). Grubość ściany powinna wynikać z gradientu hydraulicznego i załoŝonego stopnia wodoszczelności betonu, np. wg [3], a redukcji obciąŝenia na wysokości zbiornika powinna odpowiadać redukcja nośności przekroju Ŝelbetowego zrealizowana przez zmniejszenie mocy zbrojenia, a nie grubości ściany. NaleŜy stosować pręty o moŝliwie niewielkiej średnicy, aby ograniczyć szerokość rozwarcia ewentualnych rys. Przekroje powinny być wymiarowane jako niezarysowane, a zbrojenie powinno ograniczyć rozwarcie ewentualnych rys poniŝej 0,1 mm. Mieszanka betonowa powinna zawierać moŝliwie mało cementu o niskiej kaloryczności; cement moŝe być wolnowiąŝący. Kruszywo powinno być otoczakowe i płukane, a stos okruchowy moŝliwie szczelny, o moŝliwie duŝej, maksymalnej średnicy ziarna. Ze względu na powszechne ocieplanie WKF-ów stopień mrozoodporności betonu nie musi być wysoki i w większości przypadków napowietrzanie mieszanki nie jest konieczne. Podział na fazy i sekcje betonowania oraz jego harmonogram musi uwzględniać dynamikę procesów termicznych i wilgotnościowych w betonie. Długość sekcji po obwodzie nie powinna przekraczać 9 12 m. Najpierw naleŝy betonować sekcje (odcinki walca) nieparzyste, później parzyste, przy czym sekcje parzyste naleŝy wykonać moŝliwie późno i w moŝliwie niskiej temperaturze scalenia. WyŜej leŝące sekcje powinny być betonowane bez zbędnej zwłoki. Szwy naleŝy uszczelniać wewnętrznymi taśmami z tworzyw sztucznych, zgrzewanymi w miejscach skrzyŝowań. Najlepiej w miejscach połączeń stosować kształtki fabrycznie odlewane (np. typu X lub T), zgrzewane doczołowo do prostych odcinków taśm. Pielęgnacja betonu powinna być wdroŝona szybko, po końcu wiązania i trwać co najmniej 14 dni (ze względu na wymaganą wodoszczelność betonu). W miarę moŝliwości naleŝy wykorzystywać sprzyjające warunki atmosferyczne (jesień, niezbyt ostra zima lub wiosna) i wbudowywać stosunkowo chłodną mieszankę wykorzystując efekt samonagrzewu betonu w stosunkowo grubych ścianach (metoda zachowania ciepła). Literatura 1. Bialik G., Kempa Cz., Misiak W., Strzemiecki S.: Warunki techniczne wykonania i odbioru robót w dziedzinie gospodarki wodnej w zakresie konstrukcji hydrotechnicznych z betonu, Ministerstwo Ochrony Środowiska Zasobów Naturalnych i Leśnictwa, Warszawa,1994. 2. CEB-FIB Model Code 1990, Bulletin d Information No 213 314, Lausanne, 1993. 3. PN-B/88-06250: Beton zwykły. 4. PN-B-03264: 2002. Konstrukcje betonowe, Ŝelbetowe i spręŝone. Obliczenia statyczne i projektowanie. 776